一种风力发电塔垂直攀爬机器人

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，具体涉及一种风力发电塔垂直攀爬机器人。

背景技术

风能为清洁能源，我国风力发电技术正处于稳步发展阶段。东部沿海和西部地区风力能源充足，风力能源的开发利用以及建设风力发电设备对推进可持续发展尤为重要。风力发电设备由于长期暴露在室外，环境条件复杂，暴露在外部的机构及易损坏，当使用到一定年限后，其外壳油漆脱落生锈。若不及时维修，锈蚀会进一步加深，严重影响风力发电塔后续使用寿命。

目前维修手段依然是人工背着设备从高空悬吊在风力发电塔外壁维修和喷涂油漆，该手段工作效率低，有效喷涂面积极小，需数次多角度喷涂，危险系数高。

现有技术中涉及攀爬柱状结构的机器人所适用的柱状结构直径较小，所攀爬的柱体结构本身具有一定的刚度，所以在设计时不必考虑攀爬机器人对柱体结构的正压力是否会损坏柱体本身。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种风力发电塔垂直攀爬机器人，采用环形框架结构和压紧机构实现对风力发电塔等设备外部结构的维修保养，适用于风力发电塔等外壁光滑、刚度具有固定的极限值、直径尺寸大且具有锥度的柱状结构。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种风力发电塔垂直攀爬机器人，包括环绕在风力发电塔外壁的框架；

所述框架上安装若干组上部的攀爬机构、压紧机构和下部的攀爬机构；

风力发电塔垂直攀爬机器人在工作时，通过电机和机构相互配合调节，可实现上部攀爬机构中压紧杆同步压紧，下部攀爬机构中压紧杆同步压紧；

以上部攀爬机构中压紧杆所配摩擦轮作为上下运动的执行机构，下部攀爬机构中压紧杆所配摩擦轮作为辅助压紧机构保证同轴度。

所述攀爬机构，通过驱动电机驱动摩擦轮转动，实现在塔壁的垂直上下移动，利用蜗轮蜗杆结构传动实现在风力发电塔外壁悬停；

所述压紧机构，通过压紧丝杠拉动平衡压杆，利用平衡压杆受力转动，分别为上下部攀爬机构中弹簧提供两个相同大小的压力，经压紧杆传到摩擦轮，以调节摩擦轮正压力大小，防止压瘪风力发电塔外壁；

所述平衡压紧杆的受力自适应平衡转动，可调节风力发电塔垂直攀爬机器人与风力发电塔同轴度，平稳适应风力发电塔外壁的锥度。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的框架包括两个相同的半圆形结构，半圆形结构的首尾两端设置子母铰链，相同的两个半圆形结构首尾相接。

上述的框架上对称安装四组上部的攀爬机构、压紧机构和下部的攀爬机构。

上述的框架上下两侧均布置轨道，实现拓展功能。

上述的攀爬机构包括两个摩擦轮、压紧杆、驱动电机、一号蜗轮蜗杆组；

所述压紧杆一端连接在框架上，另一端安装轴；

所述两个摩擦轮对称安装在压紧杆的轴上；

所述一号蜗轮蜗杆组安装在轴中间，作为驱动摩擦轮转动和自锁的传动机构；

所述驱动电机安装在压紧杆上，经一号蜗轮蜗杆组中的一号蜗杆驱动一号蜗轮，控制摩擦轮转速，正反转向和自锁，实现风力发电塔垂直攀爬机器人上下移动，可保证在无驱动力时自锁。

上述的压紧杆的中间连接压紧机构中弹簧的一端，弹簧的另一端连接压紧机构的平衡压紧杆。

上述的压紧机构包括压紧电机、二号蜗轮蜗杆组、压紧丝杠、转动平衡螺母、平衡压杆、弹簧；

所述平衡压紧杆通过上下两个弹簧分别连接上下部攀爬机构中的压紧杆；

所述压紧电机驱动二号蜗轮蜗杆组通过二号蜗杆、二号蜗轮将力矩传递给压紧丝杠，从而控制压紧丝杠转速、转向和自锁。

所述压紧丝杠驱动转动平衡螺母实现压紧平衡压杆和受力平衡转动。

所述平衡压杆平衡转动压紧弹簧，实现风力发电塔攀爬机工作中自适应风力发电塔锥度；

工作中，上下两个压紧杆分别通过上下两个弹簧将支反力传递给平衡压杆；

平衡压杆受力与转动平衡螺母协调自动转动平衡上下两侧压紧力。

具体的：

所述压紧电机经二号蜗轮蜗杆组驱动压紧丝杠转动，转动平衡螺母在压紧丝杠上前后移动，从而带动平衡压杆对上下两个弹簧施加压紧力，上下两个压紧杆具有相同大小的压力，来平衡机器人运行到有锥度的位置时，锥度带来的上下部攀爬机构中的压紧杆受力。

本发明具有以下有益效果：

1)攀爬机构采用摩擦轮滚动方式，平稳越过风力发电塔接缝处；同时一组上下对称结构的压紧机构，均为对称布置，提供可靠正压力，保证机器与风力发电塔具有良好的同轴度。

2)攀爬机构传动机构采用蜗轮蜗杆传动，可实现摩擦轮的自锁，结构简单小巧，稳定向高；

3)平衡压杆的平衡转动可有效避免在运行到带有锥度的工作位置时，上下两侧压紧力不均衡造成的机器与风力发电塔同轴度不足；

4)压紧机构的压紧力传动方式为蜗轮蜗杆和丝杠螺母副，两种机构均具有自作性，双重自锁机构提供稳定的压紧力；

5)当机构运行到具有锥度的工作位置时，在弹簧调节不能满足正压力大于摩擦力时，可通过压紧电机工作驱动丝杠螺母副压紧平衡压杆；

6)框架上下两侧带有轨道可拓展机械臂等工作机构实现功能的拓展；可替代大部分原本人工完成的工作，提高工作效率，节约成本，保证的施工人员的安全；

7)风力发电塔垂直攀爬机器人的结构多处采用自锁结构可以实现在风力发电塔任意位置停留，且不会掉落，安全性高。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的攀爬机构示意图；

图3是本发明的压紧机构示意图。

附图标记：1-框架、2-轨道、3-轴、4-压紧杆、5-弹簧、6-摩擦轮、7-一号蜗轮蜗杆组、7-1：一号蜗杆、7-2：驱动一号蜗轮、8-驱动电机、9-平衡压杆、10-二号蜗轮蜗杆组、10-1：二号蜗杆、10-2：二号蜗轮、11-转动平衡螺母、12-压紧丝杠、13-压紧杆槽、14-压紧电机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1-3所示，本发明一种风力发电塔垂直攀爬机器人，包括环绕在风力发电塔外壁的框架1；

所述框架1上安装四组上部的攀爬机构、压紧机构和下部的攀爬机构；

所述框架1包括两个相同的半圆形结构，半圆形结构的首尾两端设置子母铰链，相同的两个半圆形结构首尾相接。

所述框架1上对称安装四组上部的攀爬机构、压紧机构和下部的攀爬机构，受力效果显著。

所述框架1环抱在风力发电塔的底部初始工作位置；

所述框架1上下两侧带有轨道2，可拓展机械臂等工作机构实现功能的拓展。

风力发电塔垂直攀爬机器人在工作时，通过电机和机构相互配合调节，可实现上部攀爬机构中四个压紧杆同步压紧，下部攀爬机构中四个压紧杆同步压紧；

以上部攀爬机构中四个压紧杆所配摩擦轮作为上下运动的执行机构，下部攀爬机构中四个压紧杆所配摩擦轮作为辅助压紧机构保证同轴度。

所述攀爬机构，通过驱动电机8驱动摩擦轮6转动，实现在塔壁的垂直上下移动，利用蜗轮蜗杆结构传动实现在风力发电塔外壁悬停；

所述压紧机构，通过压紧丝杠12拉动平衡压杆9，利用平衡压杆9受力转动，分别为上下部攀爬机构中弹簧提供两个相同大小的压力，经压紧杆4传到摩擦轮6，以调节摩擦轮6正压力大小，防止压瘪风力发电塔外壁；

所述平衡压紧杆9的受力自适应平衡转动，可调节风力发电塔垂直攀爬机器人与风力发电塔同轴度，平稳适应风力发电塔外壁的锥度。

实施例中，如图2所示，所述攀爬机构连接在框架1上，包括两个摩擦轮6、压紧杆4、驱动电机8、一号蜗轮蜗杆组7；

所述压紧杆4一端连接在带有轨道的框架1上，另一端安装轴3；

所述两个摩擦轮6对称安装在压紧杆4的轴3上；

所述一号蜗轮蜗杆组7安装在轴3中间，作为驱动摩擦轮6转动和自锁的传动机构；

所述驱动电机8安装在压紧杆4上，经一号蜗轮蜗杆组7中的一号蜗杆7-1驱动一号蜗轮7-2处蜗杆为主动件，蜗轮为从动件，控制摩擦轮6转速，正反转向和自锁，实现风力发电塔垂直攀爬机器人上下移动，可保证在无驱动力时自锁。

一号蜗轮7-2安装在轴3上，所述一号蜗杆7-1安装在驱动电机8上；

所述压紧杆4的中间连接压紧机构中弹簧5的一端，弹簧5的另一端连接压紧机构的平衡压紧杆9。

如图3所示，所述压紧机构连接在框架1上，包括压紧电机14、二号蜗轮蜗杆组10、压紧丝杠12、转动平衡螺母11、平衡压杆9、弹簧5；

所述平衡压紧杆9通过上下两个弹簧5分别连接上下部攀爬机构中的压紧杆4；

所述平衡压杆9与转动平衡螺母11连接；

所述转动平衡螺母11安装在压紧丝杠12上；

所述压紧丝杠12安装在框架1上，驱动转动平衡螺母11前后移动；

所述压紧电机14驱动二号蜗轮蜗杆组10通过二号蜗杆10-1、二号蜗轮10-2将力矩传递给压紧丝杠12，从而控制压紧丝杠12转速、转向和自锁。

所述压紧丝杠12驱动转动平衡螺母11实现压紧平衡压杆9和受力平衡转动。

所述平衡压杆9平衡转动压紧弹簧5，实现风力发电塔攀爬机工作中自适应风力发电塔锥度；

工作中，上下两个压紧杆4分别通过上下两个弹簧5将支反力传递给平衡压杆9；

平衡压杆9受力与转动平衡螺母11协调自动转动平衡上下两侧压紧力。

具体的：

所述压紧电机14经二号蜗轮蜗杆组10驱动压紧丝杠12转动，转动平衡螺母11在压紧丝杠12上前后移动，从而带动平衡压杆9对上下两个弹簧5施加压紧力，上下两个压紧杆4具有相同大小的压力，来平衡机器人运行到有锥度的位置时，锥度带来的上下部攀爬机构中的压紧杆4受力。

并根据上、下部攀爬机构中两组摩擦轮6工作中受力情况旋转调节上下两侧正压力的大小。

如图1所示，一种风力发电塔垂直攀爬机器人在工作时，安装在框架1上的压紧机构通过压紧电机14带动二号蜗轮蜗杆组10，如图3所示蜗杆10-1为主动件，蜗轮10-2为从动件。蜗轮10-2与压紧丝杠12相连接，在遇到锥度时，压紧丝杠12拉动转动平衡螺母11，压紧平衡压杆9，平衡压杆9自动平衡上下两侧压紧力，通过弹簧5压紧压紧杆4。实现上下两侧同步压紧。

驱动电机8安装在压紧杆4上，如图3所示，通过蜗杆7-1驱动蜗轮7-2。蜗轮7-2与轴3相连，轴3转动带动摩擦轮6沿着风力发电塔壁上下移动。同时可将机械臂等辅助工具安装在轨道1上。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。